无碳小车说明书.docx

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无碳小车说明书

附图

1引言

1.1小车功能设计要求

给定一重力势能，根据能量转换原理，设计一种可将该重力势能转换为机械能并可用来驱动小车行走的装置。

该自行小车在前行时能够自动避开赛道上设置的障碍物（每间隔1米，放置一个直径20mm、高200mm的弹性障碍圆棒）。

以小车前行距离的远近、以及避开障碍的多少来综合评定成绩。

给定重力势能为4焦耳（取g=10m/s2），用质量为1Kg的重块铅垂下降来获得，落差400±2mm，重块落下后，须被小车承载并同小车一起运动，不允许掉落。

要求小车前行过程中完成的所有动作所需的能量均由此能量转换获得，不可使用任何其他的能量形式。

1.2小车的设计思路

小车的设计一定要做到目标明确，通过对命题的分析我们得到了比较清晰开阔的设计思路。

作品的设计需要有系统性规范性和创新性。

设计过程中需要综合考虑材料、加工、制造成本等给方面因素。

小车的设计是提高小车性能的关键。

在设计方法上我们借鉴了参数化设计、优化设计、系统设计等现代设计发发明理论方法。

采用了Inventor、UG、CAD等软件辅助设计。

下面是我们设计小车的流程（如图1）

图1

2设计方案

通过对小车的功能分析小车需要完成重力势能的转换、驱动自身行走、自动避开障碍物。

为了方便设计这里根据小车所要完成的功能将小车划分为五个部分进行模块化设计（车架、原动机构、传动机构、转向机构、行走机构、微调机构）。

为了得到令人满意方案，采用扩展性思维设计每一个模块，寻求多种可行的方案和构思。

下面为我们设计图框（图2）

图2

在选择方案时应综合考虑功能、材料、加工、制造成本等各方面因素，同时尽量避免直接决策，减少决策时的主观因素，使得选择的方案能够综合最优。

如图3

图3

2.1底板

底板作为小车的主要支撑部分，承受着整车以及重物的重量，而且由于初始时重物较高，导致整车的重心较高。

因此要求车架要具有较大的强度、重心较低，而且便于零件的安装。

我们通过考虑到上述要求外，还考虑到整车重量以及加工成本等因素，最终采用整体底板，直接通过加工中心在铝板上进行加工。

2.2原动机构

原动机构工作原理，重物块下降的势能通过定滑轮传递给绕线轴，绕线轴上的齿轮与传动机构的齿轮啮合，推动整车前进。

绕线轴设计为梯形状，如图4所示：

1、小齿轮2、驱动轮3、大齿轮4、绕线轴5、重物6、定滑轮

图4原动机构简图

根据梯形原理，将绕线轴做成梯形以满足：

1．在起始时原动轮的转动半径较大，起动转矩大，有利起动。

2．起动后，绕线轴半径变小，转速提高，转矩变小，和阻力平衡后小车匀速运动。

3．当物块距小车很近时，绕线轴的半径再次变小，绳子的拉力不足以使原动轮匀速转动，但是由于物块的惯性，仍会减速下降，原动轮的半径变小，总转速比提高，小车缓慢减速，直到停止，物块停止下落，正好接触小车底盘

2.3传动机构

传动机构的功能是把动力和运动传递到转向机构和驱动轮上。

要使小车行驶的更远及按设计的轨道精确地行驶，传动机构必需传递效率高、传动稳定、结构简单、重量轻等。

首先，在设计中考虑了齿轮和带轮两种方式。

带轮具有结构简单、传动平稳、价格低廉、缓冲吸震等特点，但其效率及传动精度并不高，所以带轮传动不适合本本小车设计。

而齿轮具有效率高、结构紧凑、工作可靠、传动比稳定的特点，并且齿轮价格适中。

因此综合实用性、经济性、可靠性等内容，最终选择齿轮传动。

如图5

1、重物2、连杆3、承重轮4、曲柄5、绕线轮6、大齿轮7、驱动轮8、小齿轮9、导向轮10、摇杆11、定滑轮

图5小车传动机构简图

2.4转向机构

转向机构是本小车设计的关键部分，直接决定着小车的功能。

转向机构也同样需要具有尽可能的减少摩擦耗能，结构简单，零部件易加工等基本条件。

同时还需要有特殊的运动特性，能够将旋转运动转化为满足要求的来回摆动，带动转向轮左右转动从而实现走固定“8”字路线的功能。

能实现该功能的机构有：

曲柄连杆+摇杆、曲柄摇杆、不完全齿齿轮+曲柄摇杆机构、槽轮机构+摇杆等等。

在综合各种方案，从经济性，实用性、精确性等各方面考虑，我们曲柄摇杆传动结构，如图6所示。

1、重物2、连杆3、曲柄4、绕线轮、5、定滑轮6、摇杆7、导向轮

图6小车转向机构简图

转向机构采用空间曲柄摇杆机构。

绕线轴还直接和曲柄相连带动曲柄旋转，曲柄再通过连杆（连杆两端的运动副为球铰）带动摇杆前后摆动，由于前轮与摇杆固连为一体，小车前进时，前轮左右摆动就可实现周期性的“8”字绕桩，以此类推，小车不断地重复“8”字，进行运动。

如图7所示：

图7小车的转向轨迹示意图

2.5行走机构

行走机构即为三个轮子，通过对比有机玻璃、铝板、铝塑板制作的轮子，有机玻璃强度、硬度适中，价格合理，重量轻，但是长时间承载重物车轮会发生变形并且加工过程中会产生大量的热会然材料发生加工变形，不利于控制加工精度；摩擦力太大，车子行驶过程中会消耗很多能量。

铝板有良好的加工性能，以及适合的硬度，由于小车最后在乒乓球台上运行，需要适当的摩擦力，适当的硬度。

因此选用6061铝板来加工轮子。

小车在转弯的时候，为了避免两个轮子的转速不同而产生的纯滚动现象，所以需要解决小车转弯时的差速问题，因此需要添加差速驱动装置，可以通过差速器、单向轴承或单轮驱动来实现差速。

（1）差速器涉及到最小能耗原理，结构较复杂，多齿轮进行啮合，精度要求较高，因此不适合小车设计。

（2）单向轴承使其中速度较大的轮子成为从动轮，速度较慢的轮子成为主动轮，这样交替变换着实现差速，但由于单向轴承存在侧隙，在主动轮从动轮切换过程中出现误差导致运动不准确。

（3）单轮驱动即只利用一个轮子作为驱动轮，另一个为从动轮（承重轮）。

从动轮与驱动轮间的差速依靠与地面的运动约束确定的。

其效率比利用差速器高，传动精度比利用单向轴承高，但前进速度不如差速器稳定。

综合考虑到装配、制作、结构性等方面问题，择优选择采用单轮驱动来解决差速问题。

2.6调节机构

调节机构在小车设计中是相当重要的机构，可以满足小车在不同场地以及不同情况下实现走8字路线。

其次，前面确定了转向采用空间曲柄摇杆方案，由于曲柄摇杆机构对于加工误差和装配误差很敏感，因此就必须加上调节机构，对误差进行修正。

微调机构用来调整装配误差以及使小车的运动轨迹更加精确稳定，设计小车的调节装置分为粗调和微调两个部分，其中粗调机构可以实现较大转弯幅度的调整。

在微调机构中我们设计的是放大微调机构，放大微调机构采用杠杆原理。

其功能是在进行微量调节时，在长杠杆一侧调整一个较大刻度值，而在与摇杆相连的杠杆另一端就会得到一个较小的值。

这样就会保证微调的精确度从而使小车的运动轨迹更加精确。

调节装置如图8所示：

图8曲柄摇杆机构调节示意图

3技术设计

3.1功能关系及驱动力分析

通过对小车的功能分析小车需要完成重力势能的转换、驱动自身行走。

设

为重物的质量，

为重物下落的距离，

为绕线轴的半径，

为小车受到的摩擦力，

为小车驱动轮的半径，

为原动齿轮与驱动齿轮的传动比，

为小车的原动力矩，

为小车受到的驱动力矩,

为小车前进的距离。

由能量守恒定律得：

由此可得小车运动的距离

克服运行阻力：

（如图9受力分析）

车体运行阻力包括惯性阻力和静阻力

惯性阻力（N）=P0×a（小车启动加速度）

静阻力一般包括基本阻力、弯道阻力、坡道阻力、气流阻力等

基本阻力（N）=P0gw式中：

g重力加速度；w运行阻力系数，实验得出经验数据，约0.01。

F0＞P0（a+gw）

地面对小车摩擦阻力Ff，

Ff=P0g×f（摩擦系数）

不打滑条件

F0＜Ff=P0g×f

图9驱动轮受力分析

结论：

为了增大小车行走距离，为了避免能量损失不打滑，在保证能够驱动小车行走的前提下，F0越小越好。

适当的提高机械传动效率，简化无碳小车机构设计能够有效的使小车的行驶距离变远。

3.2小车轨迹的计算

驱动轮半径

齿轮传动比

驱动轮A与转向轮横向偏距

驱动轮B与转向轮横向偏距

驱动轴（轴2）与转向轮中心距离

曲柄轴（轴1）与转向轮中心距离

曲柄的旋转半径

摇杆长

连杆长

轴的绳轮半径

a、驱动：

当重物下降

时，驱动轴（轴2）转过的角度为

，则有

则曲柄轴（轴1）转过的角度

小车移动的距离为（以A轮为参考）

b、转向：

当转向杆与驱动轴间的夹角

为时，曲柄转过的角度为

则

与

满足以下关：

解上述方程可得

与

的函数关系式

c、小车行走轨迹

只有A轮为驱动轮，当转向轮转过角度

时，如图：

则小车转弯的曲率半径为

小车行走

过程中，小车整体转过的角度

当小车转过的角度为

时，有

3.3无急回特性曲柄摇杆机构计算

用行程速度变化系数K表示机构急回特性的程度

压力角和传动角选定

在曲柄摇杆机构运转时，传动角是变化的，为了保证机构正常工作，必须算出最小传动角。

如（图10）

图10连杆机构的压力角和传动角

结论：

转向机构的力不需要太大功率，为了更好的增大摆角，让小车转弯的轨迹饱满，因此适当的增大压力角。

a曲柄长度b连杆长度c摇杆长度d机架长度

根据已知的摆角，最小传动角，根据查表计算出各构件的相对长度a：

24mmb：

195mmc：

40mmd：

196mm

3.4参数确定（详细尺寸见附图）

曲柄长：

24mm连杆：

195mm摇杆：

40mm机架：

196mm；总传动比：

6驱动轮直径：

150mm

表一齿轮设计参数

齿轮名称

材质

模数

齿数

分度圆直径

内孔直径

厚度

齿轮1

6061铝

0.5

120

60

6mm

5mm

齿轮2

黄铜

0.5

20

10

5mm

5mm

4小车调试及性能评估

小车在制作过程中，由于加工精度以及装配精度的影响，计算的理论数据与实际数据之间存在较大的差距，因此小车的调试在小车的运行中起着重要的作用。

小车调试包括：

小车的初始位置、车速的快慢、小车的平稳性、小车前进的距离、小车的转向幅度等等。

（1）小车整体稳定性调试：

通过小车在指定的平地上行走，经过多次试验，发现小车在后半段，速度增大会导致小车在转弯时由于离心力过大，小车出现倾翻现象。

改正措施：

第二次设计小车时将底盘加宽，重心降低。

（2）小车速度的调试：

通过小车在指定平地上行走，经过多次试验，发现小车在后半段，速度增大转向不稳。

改正措施：

将绕线轴车小了2mm，降低了速度、减小过大的驱动力，同时也增大了小车前进的距离。

如果设备允许、并且精度可以达到要求，保证小车正常驱动的情况下，可以尽量将绕线轴车的越细越好。

（3）小车运行轨迹调试：

通过小车在指定的平地上行走，经过多次试验发现，小车的右转角过大，左转角小，这样导致：

a）、小车转的“8”字幅度太大；b）、小车在行走几个周期后出现转向偏差。

纠正措施：

调节了摇杆的长度，使左右转向时摇杆带动转向轮转过相同角度。

（4）小车绕“8”字不同中心距运动时调试：

通过调整粗调和微调机构使小车能够绕过不同中心距的“8”字。

通过多次试验记录数据，总结规律。

在不同中心距的“8”字下运行记录调整位置，并做好标记。

这次“8”字形小车设计符合毕业设计初衷的要求,经过安排进度,进行了创新性小车设计，探讨了提高小车运行圈数的方法，解决了小车运行的运动换向机构驱动及周期性转向等关键性问题,提高了小车的运行精度,确定了小车的结构参数及总体方案，本小车结构合理,操作简单,运行轨迹符合设计要求,经计算，小车运行的总长度为L：

式中：

L为小车运行总长度，i为齿轮传动比，D为驱动轮直径，

为重物到地面的距离。

小车理论上走过的8字圈数为：

式中：

l为校车运行一个圆的周长，R为小车绕8字时的半径。

这里，总传动比i=6，驱动轮直径D=150mm，小车运动轨迹半径R=200mm，驱动轴b=8mm，代入公式求得小车运行的总长度为：

小车运行的“8”字时，运行的圈数为：

5小车改进方法及评价分析

5.1小车的改进方法

（1）小车的尺寸设计偏大，在启动时容易将障碍物撞到，改进小车的结构设计，比如把整个车的尺寸按比例缩小，这是可能会发生小车中心偏高，可以考虑为小车加上配重。

（2）空间四杆机构对加工精度要求很高，可以通过曲柄加上刻度，然后进行调节。

（3）理论计算的各种参数得出的轨迹与实际运行轨迹存在较大差距，因此应该在调试时，增多试验的次数，按照控制变量法对参数进行逐个修改，在原有设计尺寸上根据场地进行适当修改。

5.2小车优点

（1）充分参考动力学原理、机械原理、机械设计等对小车进行设计，使小车整体布局更加合理，能量转化效率大大提高。

（2）结构简单、制造方便。

（3）设计、制作了放大微调机构，使微调更加精确。

（4）采用了单轮驱动代替差速器。

多齿轮啮合组成的差速器由于自己制作的齿轮精度不高，所以差速器存在较大的摩擦系数、啮合度不高。

而单轮驱动摩擦系数较小，并且可以试想差速正好解决了这一问题。

（5）采用了大的驱动轮，滚阻系数小，行走距离远。

5.3小车缺点

（1）小车精度要求高，使得加工零件成本高，以及微调各个机构都很费时，稳定性较差。

（2）摩擦力较大，传动耗能太多。

（3）小车的启动位置设计不合理，在启动时容易撞竿。

6部分装配图（详细见附图）

摇杆

7结论

通过这次毕业设计，在准备过程和方案设计过中我都学到和感受到了很多东西，了解了很多机械设计和机械传动等相关知识。

创新是最重要的，通过查看之前工程综合训练竞赛的作品，其实无碳小车很多东西都是一样的，已经是最优的选择了。

例如：

绕线轴的梯形设计、车盘的三角形设计等，这些已存在的最优方案，可以在参数及外形上根据自身设计的需求，稍作调整即可。

我需要的是在核心部位进行创新，发挥想象，更好地达到设计需求。

例如：

在小车的差速问题、小车的转向问题以及小车的微调机构等核心部分上进行创新，做到与众不同。

通过“8”字形小车的设计我更加了解了机械原理，工程实践的意义，更深刻地体会到书本学习与实际操作的不同与联系，也让我明白了将理论学习与实践相结合的重要性。

并且，在这次毕业设计中，了解并熟悉了对一项方案从头到尾的设计流程，增强了自己在创新设计方面的能力。

同时也提高了自己的综合实践创新以及实际操作动手能力。

经过近三个月的毕业设计，由资料的收集、方案的选择比较和论证，到设计与分析计算，再到图纸的绘制以及毕业设计论文的撰写等各个环节，我对大学四年本科阶段的知识有了一个整体的深层次的理解，有了一个系统的认识和利用，同时对设计的理解更加深刻和准确。

毕业设计虽然达到了预期目标，但是由于经验知识水平的局限，设计难免有不到之处。

致谢语

为期一学期的毕业设计结束了，回想选题时充满迷茫，不知从何下手，从搜集资料、择优方案、设计制作、调试以及初稿到反复修正期间经历了喜悦、聒噪、痛苦和彷徨，设计的过程中心情是如此复杂。

如今，伴随着毕业设计最终成稿，心中充满了喜悦，毕竟是自己点点滴滴制作完成的。

在此，我要感谢母校为我提供了良好学习环境，使我能够在此专心学习，陶冶情操。

同时我还要衷心的感谢学院领导对我们实物制作的大力支持，特别是金工实习中心师傅的指导，最后特别要感谢的是我的导师钱利霞老师，从开始设计方案的选取、实物的制作以及在论文的设计和措辞等方面宋老师始终认真负责地给予我深刻而细致地指导，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。

另外，我必须感谢我的父母。

养育之恩，无以回报。

作为他们的孩子，我秉承了他们朴实、坚韧的性格，也因此我有足够的信心和能力战胜前进路上的艰难险阻；也因为他们的日夜辛劳，我才有机会如愿完成自己的大学学业，进而取得进一步发展的机会。

我要感谢我的同学、好友，在我设计之初，我们通过交流探讨同学们给了我非常大的启发，同时我们在一起保持了良好的学习氛围。

在设计完成后对我的论文提出了诸多宝贵的意见和建议。

对同学和好友的帮助表示真挚的感谢。

感谢你们，正是你们的帮助，我才能得以顺利完成该论文。

谢谢！

参考文献

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